频谱分析仪测量相位噪声及测量不确定度分析

部分可能带来测量误差:
①参考电平的允许误差 频谱分析仪都是选用显示屏最顶部一格作为参考电
平 它和输入衰减器及中频增益有关 改变参考电平 输入
衰减器和中频增益都会作相应改变 以保证混频器和显示
电路工作在最佳状态 一般都以校准电平为参考 增加或
者减小参考电平都会引入误差
②刻度保真度的允许误差 刻度保真度就是在显示屏的垂直方向显示信号幅度
范围内 以某频率点的信号幅度为参考时的其余各频率点
的幅度偏差 所以在载波频率10 G~Z 和偏 离 载波 一定 频 率的幅度两点可能存在一定的误差
⑤噪声边带引入误差< 频谱分析仪的本底噪声> 频谱分析仪显示的任何一个幅度值都是某级中放通
频带内所有能量的总和 即信号电平加上噪声电平 噪声
电平比信号电平小得多 即信噪比大时 噪声边带引入误
measure ment f or phase noise usi ng spect ru m anal yzer and t he anal ysis of its measure ment uncert ai nt y
Li u Yanyan 1 Xu shi wei 2 Xuan Zonggi ang 1 (1 .school of Mechat r oni cs 9Xi di an uni versit y 9Xi an 710071 92 .school of Mi cr oel ect r oni cs 9Xi di an uni versit y 9Xi an 710071 )
在频率源 的 噪 声 描 述 中 广 泛 使 用 的 是 方 差 的 方 法O
用方差的方法描述能综合 地 表 示 随 机 变 化 分 布 中9由 噪 声 引起的变化着的各可能值相对于频率平均值的差异程度 的大小O在时域中通常使 用 频 率 计 来 测 量 相 位 噪 声9在 频 域中则使用频谱分析仪O
<4 > 按如下顺 序 设 置 频 谱 分 析 仪 来 测 量 20 k ~Z 噪 声 边带的电平值 打 开 Delt a 标 尺 功 能 用 标 尺 功 能 中 的 噪 声标尺 的 功 能 将 频 谱 分 析 仪 参 考 电 平 设 置 为 -10 d Bm 设置 中 心 频 率 步 进 为 20 k ~Z 然 后 设 置 载 波 频 率 为 10 G~Z +20 k ~Z 将扫宽设置为零 按下单次扫描;
图1 给出的是在载频在10 G~Z 频 偏 在 20 k ~Z 时 的 一次测量结果图
图1 实验中的一次测量结果图
实验测得的数据如表1 所示:
表 实验数据表!载频 GHZ "
1
L <f m > 2 d Bc/ ~Z 3
4
5
10 k -87 .95 -88 .14 -88 .44 -87 .55 -88 .31 -88 .2
通常测量相 位 噪 声 有 直 接 测 量 法\差 频 计 数 器 法\鉴 频器法和相位检波器测量法O其中相位检波器的灵敏度 最高O目前最流行 的 相 位 噪 声 测 试 系 统 是 P N9000 系 列9 它的灵敏度 很 高9但 是 成 本 很 高9造 价 高O 此 外 还 有 相 位 噪声测试系统等等9而这些 都 是 建 立 在 频 谱 分 析 仪 基 础 之 上的O每种测试方法都 有 各 自 的 优 缺 点O 因 此9根 据 具 体 实际的需要选择不同的测试方法和手段就很重要O近年 来9随 着 电 子 技 术 的 发 展9使 得 频 谱 分 析 仪 技 术 发 展 的 越 来越快9动态范围越来越 大9灵 敏 度 越 来 越 高9对 相 位 噪 声 的测试也越来越方便9因此 可 以 用 频 谱 分 析 仪 通 过 实 验 来 测量相位噪声O
通常来说造成频率源随机变化的噪声主要有附加相 位噪声和绝对的相位噪声O其中前者是由除了参考振荡 器本身以外的电子电路造成的O它并不直接干扰振荡本 身9而是叠加在振荡信号 上O 由 于 这 种 噪 声 的 存 在 引 起 了 相位抖动9因而造成了相 位 起 伏O 而 后 者 则 是 由 参 考 振 荡 器本身的电子电路造成的O这种噪声直接干扰了频标振 荡出来的频率O一般测量的是附加的相位噪声O
多次测量用统计方法评定的 A 类分量u A ; 用其它非统计方 法评定的 B 类分量u B 总不确定度由 A 类分量和 B 类分 量按H方~ 和~ 根" 的方法合成 即:
U=
\
u
2 A
+u
2 B
<1 >
" 43 "
第29 卷
电子测量技术
3 .2 . 1 不 确 定 度 的 A 类 评 定 Ct ype A eval uati on of uncert ai nt y >
实验过程
所用仪器 频谱分析仪 采 用 Agil ent 公 司 的 EsA 系 列 频 谱 分 析 仪 E4407 B 9信号发生器采用 ~P83 30 B O
O42 O
刘 严 严 等 !频 谱 分 析 仪 测 量 相 位 噪 声 及 测 量 不 确 定 度 分 析
第5 期
2 方法及步骤 <1 > 设置被测信号发生 器 的 载 波 频 率 为 10 G~Z 幅 度
电子测量技术 ELECTRONI C MEAsuRE MENT TEC ~ NOLOGY
第29 卷 第5 期 200 年10 月
频谱分析仪测量相位噪声及测量不确定度分析
刘严严l 徐世伟2 宣宗强l
!1 . 西安电子科技大学机电工程学院 西安 710071 "2 . 西安电子科技大学微电子学院 西安 710071 #
摘 要!相位噪声是电子测量中的一个重要指标9相噪指 标 的 好 坏 直 接 影 响 着 整 个 系 统 的 性 能O 测 试 相 位 噪 声 的 方 法有几种9然而9每种测试方法都有各自的优缺点O因此9根 据 实 际 的 需 要 来 选 择 适 当 的 测 试 方 法 就 尤 为 重 要O 本 文 主要是通过实验来讨论用频谱分析来测量相位噪声的方法9并对其测量的结果9应用不确定度理论给出了相 应 的 测 量 不确定度的分析O 关键词!相位噪声9频谱分析仪9测量不确定度9评定
abstract CThe phase noi se i s a ver y i mport ant specifi cati on i n el ectr oni c measur e ment 9and it can deci de t he perf or mance of t he over all syst e m . Ther e ar e sever al met hods t o measur e t he phase noi se . ~o wever 9each met hod has advant age and di sadvant age . Thus 9it i s of gr eat i mport ance t o choose an appr opri at e t est met hod accor di ng t o t he pr acti cal need . Thi s paper mai nl y deal s wit h t hi s i ssue .It di scusses a measur e ment met hod f or phase noi se usi ng spectr u m anal yZer by doi ng experi ment and anal yses t he t est dat a usi ng t he t heor y of measur e ment uncert ai nt y . Key words Cphase noi se 9spectr u m anal yZer 9measur e ment uncert ai nt y 9assess
取频偏20 k ~Z 进行分析的结果如表2 所示
表2 取频偏为2 k HZ 时的实验结果
i
1
2
Xi /CdBc ~Z -1 >
-91 .81 -91 .87 -91 .29 -91 .40
对样本观测值的统计分析进行不确定度评定 用u A 表示:
7
E CXi -X >2
100 k -110 .3 -110 .0 -110 .2 -109 .7 -110 .8 -109 .2
3 测量结果的分析
本文仅对频偏在20 k ~Z 时的 相 位 噪 声 的 不 确 定 度 进 行分析
3 误差的来源 <1 > 实验共测量
来多次测量的误差
次 每次测量结果都会不同 这会带
<2 > 频谱分析仪测试误差引入的测量不确 定 度 根 据 频谱分析仪的工作原理及内部组成机构来考虑 以下几个
f m/ ~Z 20 k 30 k -91 . 4 -91 .22 -91 . -91 .01 -91 .87 -91 .53 -91 .81 -91 .27 -91 .29 -90 .87 -91 .40 -90 .12
50 k -99 .00 -98 .92 -98 .98 -99 .23 -99 .5 -98 . 7
为0 dBm 且处于载波工作状态; <2 > 将频 谱 分 析 仪 复 位 并 恢 复 出 厂 设 置 中 心 频 率 设
置为10 G~Z 扫宽10 M~Z 幅度衰减设置为10 d B ; <3 > 按频谱分析仪上 峰 值 搜 索 打 开 信 号 跟 踪 再 将 扫
宽调整 50 k ~Z < 调 整 信 号 清 楚 > 将 分 辨 率 带 宽 设 置 为 1 k ~Z 视频带宽设置 为 3 k ~Z 关 闭 信 号 跟 踪 将 扫 描 时 间设置为5 s 按单次扫描 等待扫描完成 然后再搜索 峰值;
<5 > 记录测量的结果; < > 反复几次分别测量偏离载波频率20 k ~Z ~30 k ~Z ~ 50 k ~Z 和100 k ~Z 的相位噪声; <7 > 记录测量结果值